NIEDER-, MITTELSPANNUNGS- UND/ODER HOCHSPANNUNGSANLAGE MIT EINER LANGZEITSTABILE UND STOFFSCHLÜSSIGE STROMPFADVERBINDUNG MITTELS NANOMATERI ALIEN UND VERFAHREN ZUM HERSTELLEN DIESER STROMPFADVERBINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer stoffschlüssigen Strompfadverbindung in Nieder-, Mittel- und/oder Hochspannungsanlagen und auf eine Nieder-, Mittelspannungsanlage und/oder Hochspannungsanlage mit einer langzeitstabilen und stoffschlüssigen Strompfadverbindung.

Bei Niederspannungsanlagen, Mittelspannungsanlagen und Hochspannungsanlagen wird der Strom mittels Leitungen, im sogenannten Strompfad, geführt. Das gleiche gilt für Nieder, - Mittel- und Hochspannungsschaltgeräte, die im Folgenden auch unter , Mittelspannungsanlagen und Hochspannungsanlagen zu verstehen sind.

Beim Führen des Nennstroms in einem Leiter entsteht Wärme durch den ohmschen Widerstand des Strompfads der Schaltanla ^¬ ge. Um eine dauerhafte Funktionsfähigkeit der Schaltanlageen zu gewährleisten, muss sichergestellt sein, dass die im Gerät verbauten Komponenten, insbesondere die Leiter, die Strompfade bilden, dieser Erwärmung dauerhaft standhalten. Da dauerhaft in Verbindung mit Schaltgeräten sich in der Regel auf die gesamte Lebensdauer des Schaltgerätes bezieht, sind be ^¬ sondere Anforderungen an die Strompfade der Schaltanlagen zu stellen .

In diesem Zusammenhang sind insbesondere kraftschlüssige Ver ^¬ bindungsstellen im Strompfad kritisch zu betrachten. Solche kraftschlüssigen Verbindungsstellen, in der Regel Schraubstellen oder Klemmstellen, laufen Gefahr, dass sich deren Widerstand im Verlauf der Lebensdauer durch z.B. Korrosion deutlich erhöht. Eine Erhöhung des Widerstandes im Strompfad führt zwangsläufig zu höheren Temperaturen in den betroffenen Bereichen. Dies birgt die Gefahr, dass kritische Temperaturen erreicht und/oder überschritten werden, so dass die Schaltanlage nicht mehr geeignet ist, den vorgesehenen Nennstrom unten den potenziellen oder vorgegebenen Umweltbedingungen zu führen .

Dies ist insbesondere kritisch, da kraftschlüssige Verbindun ^¬ gen gegenüber anderen Verbindungsarten meist einen höheren elektrischen Widerstand aufweisen und damit die Erwärmungs ^¬ problematik verstärken oder diese erst dadurch auftreten.

Die Problematik der Erhöhung des Widerstandes bei kraft ^¬ schlüssigen Verbindungen im Verlauf der Lebensdauer einer Schaltanlage wird im Stand der Technik durch die Verwendung von stoffschlüssigen Verbindungen, Schweißverbindungen oder Lötverbindungen, umgangen.

Das Herstellen von Schweiß- oder Lötverbindungen ist in der Regel aber mit einer Erhöhung der Temperatur der zu verbindenden Bauteile verbunden. Für empfindliche Bauteile, wie z.B. Vakuumschaltröhren oder andere temperaturempfindliche Bauteile und insbesondere darin enthaltene Kunststoffkompo- nenten, ist eine kostengünstiges, einfaches Verschweißen oder Verlöten sehr kritisch, weil die Gefahr besteht, dass die Prozesswärme beim Fügen diese Komponenten beschädigt oder zerstört und deren Funktion somit nicht mehr gewährleistet ist .

Im Stand der Technik werden für solche Bauteile in der Regel sehr teure Schweißverfahren wie z.B. das Elektronenstrahl- schweißen oder das Laserschweißen verwendet, die nur zu einer lokal begrenzten Erwärmung, insbesondere in der direkten Umgebung der Verbindungsstelle, der zu verbindenden Bauteile führt . Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine langzeitstabile und leitfähige Verbindung zur Stromleitung in einer Schaltanlage bereitzustellen, die die Nachteile des Stand der Technik be ^¬ heben beziehungsweise eine kostengünstige und weniger aufwen- dige Produktion von Verbindungen von elektrischen Strompfaden bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche 1 und 12 sowie die von diesen Ansprüchen abhängigen Ansprüche gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer stoffschlüssigen Strompfadverbindung in Niederspannungsanlage, Mittelspannungsanlagen und/oder Hoch- spannungsanlagen wobei ein Strompfad mindestens einen ersten Teil und einen zweiten Teil aufweist. Der erste Teil und/oder der zweite Teil des Strompfades weisen jeweils zumindest in einem Bereich ein Nanomaterial auf. Der erste und der zweite Teil des Strompfades werden zumindest in den jeweiligen Be- reichen kraftschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden. Durch Zuführen einer Reaktionsenergie wird eine leitfähige und Stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Ersten Teil und dem zweiten Teil des Strompfades unter Mitwirkung des Nanomaterials gebildet. Das Nanomaterial kann im Folgen- den als solches oder als Precursor des Nanomaterials vorlie ^¬ gen, das heißt das eigentliche Nanomaterial wird durch eine Reaktion aus einem Precursor gebildet, bevorzugt durch Zuführung der Reaktionsenergie, die auch zur Bildung der stoff ^¬ schlüssigen Verbindung führt.

Ein Nanomaterial ein Material, dessen einzelne Einheiten oder bei dem ein oder mehrere Abmaße in einer Größe zwischen 1 und 1000 Nanometer (10 ^~9 Meter, Milliardstel Meter), bevorzugt zwischen 1 und 100 Nanometer liegen.

Unter dem Terminus „Bereich" ist im Sinne dieser Anmeldung der Verbindungsbereich zu verstehen, also der Bereich, in dem der erste Teil und der zweite Teil des Strompfades mittels des Nanomaterials miteinander verbunden werden.

Unter dem Begriff „leitfähig" ist im Sinne dieser Anmeldung zu verstehen, dass die leitfähigen, miteinander verbundenen, Teile eines Strompfades über die Verbindung hinweg derart leitfähig sind, dass es bei einer Belastung mit oder unterhalb der Nennstromes der Schaltanlage zu keinen Funktionsbe ^¬ einträchtigungen kommt, auch nicht zu einer Erwärmung der Verbindungsstelle, die die zulässigen Temperaturen über- schreitet.

Durch das Verwenden des Nanomaterials und dem Überführen der rein kraftschlüssigen Verbindung in eine Stoffschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung durch das Zuführen einer Reaktionsenergie, wird eine langzeitstabile Verbindung ge ^¬ währleistet, die gemäß den Normen als Stoffschlüssige Verbin ^¬ dung gewertet wird und so auch keinen zusätzlichen Prüfungs ^¬ aufwand erfordern, wie zum Beispiel kraftschlüssige oder formschlüssige Verbindungen.

Insbesondere hat eine kraftschlüssige Verbindung und/oder ei ^¬ ne formschlüssige Verbindung, bei der ein Druck auf die Verbindungsstelle zwischen dem ersten Teil des Strompfades und dem zweiten Teil des Strompfades ausgeübt wird, eine positive Wirkung auf das Ausbilden der stoffschlüssigen Verbindung von dem ersten Teil des Strompfades und dem zweiten Teil des Strompfades .

Bevorzugt wird, dass zwischen den jeweiligen kraftschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbundenen Bereichen des ersten Teils und des zweiten Teils des Strompfades sich das Nanomaterial befindet oder sich das Nanomaterial über die je ^¬ weiligen Bereiche des ersten und/oder des zweiten Strompfades hinaus erstreckt.

Durch das vollständige oder nahezu vollständige Vorhandensein von Nanomaterial im Verbindungsbereich des Strompfades wird ein niedriger elektrischer Widerstand des Verbindungsberei ^¬ ches und/oder eine Alterungsbeständigkeit erreicht. Verbin- dungsbereich meint hier weiterhin den Bereich, in dem der erste Teil und der zweite Teil des Strompfades mittels des Nanomaterials und des Kraftschlusses und/oder Formschlusses verbunden sind. Weiter wird bevorzugt, dass der erste Teil und der zweite Teil des Strompfades aus dem gleichen leitenden Material und/oder der gleichen Materialkombination gebildet werden. Alternativ können der erste Teil und der zweite Teil des

Strompfades aus unterschiedlichen leitenden Material und/oder unterschiedlichen Materialkombination gebildet werden, insbesondere sind für unterschiedliche Paarungen Kupfer und Silber oder Kupferlegierungen und Silberlegierungen relevant.

Auch wird bevorzugt, dass das Nanomaterial und/oder ein

Precursor des Nanomaterials in Form einer Paste, einer Folie und/oder eines Pulvers auf den jeweiligen Bereich des ersten und/oder des zweiten Teils des Strompfades aufgebracht wird und/oder auf dem jeweiligen Bereich des ersten Teils und/oder des zweiten Teils des Strompfades vorhanden ist. Es können also sowohl beide Teile oder nur ein Teil des zu verbindenden Strompfades das Nanomaterial aufweisen. Besonders bevorzugt wird, dass eine Folie aus dem Nanomateri ^¬ al gebildet wird, insbesondere durch Drucken, besonders durch Siebdruck, oder Aufrakeln oder Aufstreichen auf ein Transfermaterial, von dem die durch zum Beispiel Trocknen, Aushärten oder Pressen hergestellte Folie gelöst werden kann. Alterna- tiv kann das Transfermaterial auch bei der Ausbildung der Stoffschlüssigen Verbindung umgewandelt, in die Verbindung eingebaut oder abgebaut werden.

Bevorzugt wird auch, dass das erste Teil und das zweite Teil des Strompfades kraftschlüssig durch ein oder mehr Verbin ^¬ dungsmittel verbunden werden. Insbesondere bevorzugt wird, dass die jeweiligen Bereiche des ersten Teils und des zweiten Teils des Strompfades kraftschlüssig durch ein oder mehr Ver ^¬ bindungsmittel verbunden werden. Die kraftschlüssige Verbin- dung bewirkt, dass ein Druck auf die Verbindungsstelle wirkt, was sich positiv auf das Ausbilden der Verbindung von dem ersten Teil des Strompfades und dem zweiten Teil des Strom ^¬ pfades auswirkt. Besonders bevorzugt wird, dass die Verbindungsmittel mit ei ^¬ nem oder mehreren Mitteln von Schrauben, Nieten und/oder Klemmen gebildet werden.

Bevorzugt wird auch, dass das erste Teil und das zweite Teil des Strompfades formschlüssig miteinander verbunden werden.

Auch wird bevorzugt, dass der erste Teil des Strompfades ein elektrisch leitfähiges und flexibles Stromband oder ein

Polkopf oder eine Strombandklemme ist, und/oder der zweite Teil des Strompfades ein Anschluss an:

• einen Bewegkontakt oder Festkontakt einer Vakuumschalt ^¬ röhre; oder

· einen Transformator; oder

• eine Stromschiene ist.

Auch wird bevorzugt, dass das Zuführen der Reaktionsenergie zu einer lokal auf den, an das Nanomaterial angrenzenden, ersten Teil und den, an das Nanomaterial angrenzenden, zwei ^¬ ten Teil des Strompfades begrenzten Reaktion zu einer stoff ^¬ schlüssigen Verbindung zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil des Strompfades führt. Weiter bevorzugt wird, dass die Reaktionsenergie in Form von thermischer Energie und/oder elektrischer Energie dem Nanomaterial zugeführt wird, und/oder die Reaktionsenergie in ande ^¬ rer Form zugeführt wird und in und/oder am Nanomaterial in thermische Energie und/oder elektrische Energie umgewandelt wird. Möglich ist aber auch die Zuführung der Reaktionsenergie in Form von elektromagnetischen Schwingungen, Wellen, und/oder induzierten Schwingungen und/oder Stoßwellen in das Material . Bevorzugt wird auch, dass die durch das Zuführen der Reakti ^¬ onsenergie herbeigeführte Stoffschlüssige Verbindung des ers ^¬ ten Teils, des zweiten Teil des Strompfades und des Nanomate- rial auf einen Sinterprozess des Nanomaterials beruht oder einen Sinterprozess des Nanomaterials umfasst und/oder einem Verschweißen und/oder einem Verlöten des ersten Teils und des zweiten Teils des Strompfades durch eine exotherme Reaktion des Nanomaterials oder eines Teils des Nanomaterials beruht. Bei dem Sinterprozess verbindet sich das Nanomaterial unter ^¬ einander und zumindest teilweise oder vollständig mit dem ersten und dem zweiten Teil des Strompfades. Bei der exothermen Reaktion können der erste und dem zweite Teil des Strom- pfades direkt miteinander verschweißt werden und/oder unter Einbindung des Nanomaterials oder Bestandteilen davon verschweißt werden und/oder der erste und dem zweite Teil des Strompfades unter Mitwirkung des Nanomaterial oder weiterer Materialien verlötet werden. Die weiteren Materialien können dabei insbesondere auch Bestandteil des Nanomaterials sein oder während der exothermen Reaktion gebildet worden sein.

Auch wird bevorzugt, dass das Nanomaterial Silber und/oder einen Silberprecursor aufweist.

Bevorzugt wird auch Nanomaterial, welches Silbernanopartikel in Agglomeraten mit Ausmaßen in mindestens einer Raumrichtung von mehr als 90 nm, insbesondere mehr als 100 nm oder 200 nm, und kleiner 300 nm aufweist, insbesondere wird auch bevor- zugt, dass die Silbernanopartikel bei einer entsprechenden Reaktionstemperatur und/oder entsprechenden Reaktionsbedingungen ausbildet werden und eine Größe von 1 nm bis 20 nm in mindestens einer Raumrichtung aufweisen. Weiter bevorzugt wird, dass die Silbernanopartikel zumindest teilweise durch eine Reaktion in einem metall-organischen Precursor gebildet werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist eine Niederspannungsan- läge, Mittelspannungsanlage und/oder Hochspannungsanlage, wo ^¬ bei die Niederspannungsanlage, Mittelspannungsanlage einen Strompfad aufweist, zumindest eine Verbindung eines ersten Teils des Strompfades mit einem zweiten Teil des Strompfades aufweist, wobei die Verbindung kraftschlüssig und stoff ^¬ schlüssig ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist eine Niederspannungsan- läge, Mittelspannungsanlage und/oder Hochspannungsanlage, wo ^¬ bei die Niederspannungsanlage, Mittelspannungsanlage und/oder Hochspannungsanlage einen Strompfad aufweist, wobei der

Strompfad nach einem der vorstehenden Ausführungen gebildet ist .

Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von drei Figuren näher erläutert:

Figur 1: Erfindungsgemäße Stoffschlüssige und kraftschlüssi- ge Verbindung eines ersten und eines zweiten Teils eines Strompfades;

Figur 2: schematische Darstellung einer Verbindung einer Vakuumschaltröhre mit einem leitfähigen und flexiblen Strombands mittels Nanomaterialien; und

Figur 3: Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer stoffschlüssigen und kraftschlüssigen Strompfadverbindung.

Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Verbindung in einer nicht näher dargestellten Schaltanlage 1, wobei ein erster Teil eines Strompfades 10 mit einem zweiten Teil eines Strom ^¬ pfades 20 mittels eines Verbindungsmittels 40 kraftschlüssig verbunden und über ein Nanomaterial 30 stoffschlüssig verbun ^¬ den ist.

Die kraftschlüssige Verbindung 40 kann beispielsweise durch Schrauben, Nieten und/oder Klemmen erreicht werden. Alterna- tiv zu der kraftschlüssigen Verbindung mit einem Verbindungsmittel 40 kann auch eine formschlüssige Verbindung - hier nicht gezeigt - Anwendung finden. Die formschlüssige Verbin ^¬ dung kann beispielsweise durch ineinander einrastende Verbin- dungsbereiche des ersten und des zweiten Teils des Strompfa ^¬ des oder durch Umformen, zum Beispiel Pressen oder Crimpen, erfolgen . Die Figur 2 zeigt den Anschluss einer Vakuumschaltröhre 2 in einer nicht näher dargestellten Schaltanlage 1, wobei der Be- wegkontaktanschluss 25 und das flexible Stromband 15 einer ^¬ seits über ein Verbindungsmittel 40 kraftschlüssig miteinan ^¬ der verbunden sind und andererseits über ein Nanomaterial 30 miteinander stoffschlüssig verbunden sind. Alternativ - hier nicht gezeigt - kann auch der Bewegkontaktbolzen 25 ^λ und das flexible Stromband 15 einerseits über ein Verbindungsmittel 40 kraftschlüssig miteinander verbunden sein und andererseits über ein Nanomaterial 30 miteinander stoffschlüssig verbunden sein. Das flexible Stromband 15 ist in diesem Beispiel stoff ^¬ schlüssig mit einem weiteren Teil des Strompfades 50 verbun ^¬ den, wobei es sich bei dieser stoffschlüssigen Verbindung um eine herkömmliche Schweiß- oder Lötverbindung handelt. Die Figur 3 zeigt einen schematischen Ablauf des erfindungs ^¬ gemäßen Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen und kraftschlüssigen und/oder formschlüssigen Verbindung eines ersten und eines zweiten Teils eines Strompfades in einer Schaltanlage 1, insbesondere einer Schaltanlage für Mittel- Spannungen und/oder Hochspannungen. In einem ersten Schritt 100 werden der erste Teil eines Strompfades und/oder der zweite Teil eines Strompfades zumindest in einem Bereich mit einem Nanomaterial versehen, oder die mit einem Nanomaterial versehenen Teile des Strompfades werden bereitgestellt. Das beinhaltet auch, dass das Nanomaterial in Form einer Folie oer Gitters bereitgestellt wird und die Folie oder das Gitter auf dem ersten Teil eines Strompfades und/oder dem zweiten Teil eines Strompfades oder zwischen diesen platziert wird. In einem zweiten Schritt 200 wird eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Teil des Strompfades und dem zweiten Teil des Strompfades herbeigeführt. In einem dritten Schritt 300 wird durch ein Zuführen einer Reaktionsenergie eine leitfähige und Stoffschlüssige Verbin ^¬ dung zwischen dem ersten Teil des Strompfades und dem zweiten Teil des Strompfades unter Mitwirkung des Nanomaterials her- gestellt. Dabei kann das Nanomaterial entweder die leitfähige Verbindung durch einen einen Sinterprozess umfassenden Pro- zess bilden, oder durch das Zuführen einer Reaktionsenergie eine exotherme Reaktion bewirken, die ein Verschweißen des ersten Teils des Strompfades mit dem zweiten Teil des Strom- pfades bewirkt.

Bezugs zeichenliste

1 Schaltanlage

2 Vakuumschaltröhre

10 Erster Teil eines Strompfades

15 Leitfähiges, flexibles Stromband als erster Teil des

Strompfade

20 Zweiter Teil eines Strompfades

25 Bewegkontaktanschluss einer Vakuumschaltröhre als zwei ^¬ ter Teil des Strompfades

25 ^λ Bewegkontaktbolzen einer Vakuumschaltröhre als zweiter Teil des Strompfades

30 Nanomaterial

40 Verbindungsmittel, zum Beispiel Schraube, Niete oder Klemme

50 Weiterer Teil des Strompfades

100 Schritt 1

200 Schritt 2

300 Schritt 3